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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Vakuumisolationspaneel, insbesondere für den Einsatz in der Isolationsschicht eines Kältegeräts, sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.
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Herkömmliche Vakuumisolationspaneele haben eine dünne luftdichte Außenhaut, die unter dem Außenluftdruck sofort kollabieren würde, wenn sie nicht von innen durch ein Füllmaterial abgestützt wäre. Als Füllmaterialien sind Pulver auf Silika Basis, poröse mineralische Granulate wie etwa Perlit oder Faserstoffe wie etwa Glasfaser oder Glaswolle in Gebrauch. Die gepressten, verdichteten Granulate sind nur wenig elastisch, deshalb schrumpft ein granulatgefülltes Vakuumisolationspaneel relativ wenig, wenn es dem Atmosphärendruck ausgesetzt wird. Die Verarbeitung ist allerdings nur wenig flexibel, da eine an die Abmessungen des zu fertigenden Paneels angepasste Hohlform benötigt wird, um das Granulat hineinzufüllen und vor dem Einschließen in eine luftdichte Hülle vorzuverdichten.
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Faservliese sind preiswert und, da sie nach Bedarf zugeschnitten werden können, in der Verarbeitung flexibler, können aber im Gegensatz zu den Granulaten vor dem Einschließen in die luftdichte Hülle nur schlecht vorverdichtet werden. Die zum Einschließen des Fasermaterials benötigte Hülle muss daher geräumiger sein als die zur Fertigung eines gleich großen Vakuumisolationspaneels mit Füllung aus verdichtetem Granulat benötigte. Dementsprechend stärker wird das Fasermaterial nach dem Einschließen in die Hülle unter dem Einfluss des Atmosphärendrucks komprimiert. Eine solche starke Kompression führt zu umfangreicher Faltenbildung der luftdichten Hülle und damit letztlich zu einer erhöhten Gefahr der Leckbildung. Ein Leck bewirkt aber nicht nur den weitgehenden Verlust der Isolationswirkung, sondern ermöglicht auch eine elastische Re-Expansion des Faservlieses, durch die ein Gehäuse, in dem das Vakuumisolationspaneel verbaut ist, verformt oder gar zum Platzen gebracht werden kann.
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Aus
GB 2 397 076 A ist ein Verfahren bekannt, bei dem mehrere Kerne aus Fasermaterial in einen Beutel eingebracht und zwischen den Kernen die Wände des Beutels miteinander vernäht werden. Die so erhaltene Anordnung wird in eine Folie eingeschlossen und evakuiert, um ein entlang der Nähte flexibles Vakuumisolationspaneel zu bilden.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, ein Vakuumisolationspaneel mit Faserfüllung zu schaffen, bei dem die Stauchung unter Einfluss des Atmosphärendrucks bzw. die Re-Expansion im Falle eines Lecks vermindert sind.
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Die Aufgabe wird gelöst, indem bei einem Vakuumisolationspaneel mit einem in einer Fläche ausgedehnten und senkrecht zu der Fläche komprimierten Faserkern der Faserkern durch Nähte komprimiert ist, die über die Fläche verlaufen und dabei die Fasern des Faserkerns kreuzen.
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Aufgrund der Vorkompression durch die Nähte kann das Übermaß einer luftdichten Hülle, in die der Faserkern eingeschlossen wird, gering gehalten werden, so dass auch die Faltenbildung der Hülle infolge einer Nachkompression durch den Atmosphärendruck gering ist. Im Falle eines Lecks der Hülle ist die Re-Expansion des Faserkerns auf den von den Nähten zugelassenen Umfang begrenzt.
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Damit die Nähte eine komprimierende Wirkung auf den Faserkern über ihre unmittelbare Nachbarschaft hinaus ausüben können, sollten die Fasern in der Fläche ausgerichtet sein.
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Um zu verhindern, dass im Falle eines Lecks der Faserkern in der Fläche re-expandiert, sollten die Nähte einander kreuzen.
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Auch ein unregelmäßiger, gekräuselter Verlauf der Fasern kann eine Re-Expansion in der Fläche begünstigen. Wenn der Faserkern wenigstens eine erste Lage von in einer Vorzugsrichtung ausgerichteten Fasern umfasst, kann die Re-Expansion zumindest in dieser Vorzugsrichtung verhindert werden; eine erste Gruppe Nähte sollte die Vorzugsrichtung kreuzen, um die Fasern der ersten Lage zu erfassen.
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Eine solche Lage von in einer Vorzugsrichtung orientierten Fasern kann z.B. aus Schurwolle durch Kardieren erhalten werden. In der Bauindustrie als Dämmstoff verwendete Glaswolle liegt üblicherweise, bedingt durch den kontinuierlichen Herstellungsprozess, als Bahnen von einer Vorzugsrichtung orientierten Fasern vor.
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Um den Faserkern wirksam vorverdichten zu können, sollte die mittlere Länge der Fasern der ersten Lage größer sein als der Abstand zwischen den Nähten der ersten Gruppe.
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Der Zusammenhalt einer Lage aus in einer Vorzugsrichtung orientierten Fasern ist quer zur Vorzugsrichtung gering. Um dem Faserkern insgesamt einen zum Anbringen der Nähte ausreichenden Zusammenhalt zu geben, sollte der Faserkern wenigstens eine zweite Lage von in einer zweiten Vorzugsrichtung ausgerichteten Fasern umfassen.
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Die Vorzugsrichtungen können zueinander orthogonal sein.
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Um auch die Fasern dieser zweiten Lage vorkomprimieren zu können, sollte eine zweite Gruppe von Nähten vorgesehen sein, die die zweite Vorzugsrichtung kreuzt.
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Mehrere Gruppen von Nähten können aber auch an einem Faserkern vorhanden sein, der nur eine in einer einzigen Vorzugsrichtung orientierte Lage von Fasern umfasst. Allerdings sollte in einem solchen Fall auch eine zweite Gruppe von Nähten, um das Fasermaterial verdichten zu können, die erste Vorzugsrichtung kreuzen.
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Wenn die erste und die zweite Gruppe von Nähten den Faserkern in viereckige Zellen gliedern, ist die erste Vorzugsrichtung vorzugsweise eine Diagonale der Zellen.
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Um die Nähte zu bilden, können Fäden aus Kunststoffaser wie etwa Polyamid verwendet werden.
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Die Aufgabe wird ferner gelöst durch ein Verfahren zum Fertigen eines Vakuumisolationspaneels mit den Schritten
- a) Bereitstellen eines Faserkerns;
- b) Vorverdichten des Faserkerns durch Einbringen wenigstens einer Naht, die Fasern des Faserkerns kreuzt;
- c) Einschließen des Faserkerns in eine luftdichte Hülle unter Vakuum.
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Die Stärke der Vorverdichtung des Schritts b) sollte dabei so bemessen sein, dass eine Nachverdichtung des Faserkerns durch Einwirkung des Atmosphärendrucks in Schritt c) auf maximal 20% der Enddicke begrenzt ist, die der Faserkern im fertigen Vakuumisolationspaneel erreicht.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren. Es zeigen:
- 1 einen Faserkern gemäß einer ersten Ausgestaltung der Erfindung;
- 2 einen Faserkern gemäß einer zweiten Ausgestaltung;
- 3 einen Faserkern gemäß einer dritten Ausgestaltung;
- 4 einen Schnitt durch ein Vakuumisolationspaneel mit einem Faserkern entlang der Linien IV, IV der 3; und
- 5 einen Faserkern gemäß einer vierten Ausgestaltung.
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1 zeigt einen rechteckigen Faserkern 1 für ein Vakuumisolationspaneel gemäß einer ersten Ausgestaltung der Erfindung. Der Faserkern 1 umfasst eine einzige Lage aus Fasern 2, die in einer Vorzugsrichtung 3 parallel zueinander und zu zwei Kanten 4 des Faserkerns 1 orientiert sind. Eine solche Schicht kann insbesondere durch Kardieren von Wolle oder einem anderen geeigneten Fasermaterial erhalten sein. Bei Verwendung von Mineralwolle wie etwa Glas- oder Steinwolle kann sich die Ausrichtung der Lage in der Vorzugsrichtung dadurch ergeben, dass die gezogenen oder geschleuderten Fasern auf einem kontinuierlich bewegten Träger abgelegt werden.
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Mehrere Nähte 5 erstrecken sich im rechten Winkel zur Vorzugsrichtung 3, parallel zu den zwei anderen Kanten 6 des Faserkerns. Die Nähte 5 umfassen jeweils zwei Fäden 7, 8, die einander umschlingend teils in 1 sichtbar an der Oberseite des Faserkerns 1, teils unsichtbar an der Unterseite verlaufen. Die Fäden 7, 8 verleihen zum einen dem Faserkern 1 Zusammenhalt in zu der Vorzugsrichtung 3 orthogonaler Richtung, zum andern verbessern sie auch den Zusammenhalt in der Vorzugsrichtung 3, indem sie die Fasern zwischen sich zusammenpressen und in engen Reibkontakt miteinander bringen.
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Wenn das Fasermaterial des Faserkerns 1 biologischen Ursprungs ist, können die Fäden 7, 8 aus demselben Fasermaterial bestehen. Bei einem Faserkern 1 aus Mineralfaser können Fäden 7, 8 aus Kunststofffaser wie etwa Polyamid zum Einsatz kommen.
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Der Abstand zwischen benachbarten Nähten 5 ist kleiner als die mittlere Länge der Fasern des Faserkerns, so dass ein überwiegender Teil der Fasern mehr als eine Naht 5 kreuzt. Wenn die Fäden 7, 8 der Nähte straff gezogen werden, so dass sie zwischen sich die Fasern 2 einklemmen, gelangen die Fasern somit auch unter eine Längsspannung, die den Faserkern nicht nur in unmittelbarer Umgebung der Nähte 5, sondern auch zwischen den Nähten 5 verdichtet. Diese Verdichtung ist umso stärker, je kleiner der Abstand zwischen den Nähten 5 gewählt wird.
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Der Faserkern 1 der 1 ist zwar gegen Zugkräfte beständig, die an einander gegenüberliegenden Punkten der Kanten 4 bzw. 6 einwirken, die Beständigkeit gegen Scherkräfte, die an gegeneinander seitwärts versetzten Punkten der Kanten 4, 6 einwirken, ist hingegen gering. Um einen Faserkern 1 zu erhalten, der vor dem Einbau in ein Vakuumpaneel besser handhabbar und formbeständiger ist, sind daher einer in 2 gezeigten zweiten Ausgestaltung des Faserkerns 1 zufolge zwei Gruppen von zueinander parallelen Nähten 9, 10 vorgesehen, die sich beide schräg zur Vorzugsrichtung 3 erstrecken und, indem sie einander kreuzen, den Faserkern 1 in eine Vielzahl von parallelogrammförmigen Zellen 11 gliedern.
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Im Fall der 2 ist der Abstand zwischen den Nähte 9, 10 innerhalb der beiden Gruppen gleich, so dass die Parallelogramme Rauten sind. Die Nähte 9, 10 verlaufen unter zueinander spiegelbildlichen Winkeln zur Vorzugsrichtung 3, so dass die Vorzugsrichtung 3 mit einer der beiden Diagonalen jeder Zelle 11 zusammenfällt. Fasern, die sich entlang dieser Diagonalen erstrecken, verhindern eine Dehnung des Faserkerns 1 unter in der Vorzugsrichtung 3 wirkendem Zug.
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Einer Zugbelastung quer zur Vorzugsrichtung 3 kann der Faserkern 1 der 2 in gewissem Umfang bei gleichzeitiger Kontraktion in der Vorzugsrichtung nachgeben. Um dies zu verhindern, kann der Faserkern 1 wie in 3 gezeigt, aus mehreren Lagen 12, 13 mit unterschiedlichen Vorzugsrichtungen zusammengesetzt sein. 3 zeigt den Fall eines Faserkerns 1 mit drei Lagen, einer inneren Lage 12 mit zu den Kanten 4 paralleler Vorzugsrichtung 3, und zwei äußeren Lagen 13, deren Fasern 2 in einer zu den Kanten 6 parallelen Vorzugsrichtung 14 orientiert sind. Die Vorzugsrichtungen 3, 14 fallen mit den Diagonalen der von den Nähten 9, 10 gebildeten Zellen 11 zusammen. Die einander kreuzenden Fasern der Lagen 12, 13 verhindern eine Dehnung des Faserkerns 1 in jeder Richtung. Die Zahl der Lagen kann größer als drei sein, es können auch Lagen mit anderen Vorzugsrichtungen als den Richtungen 3, 14 darunter sein.
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Da bei jeder der oben erläuterten Ausgestaltungen die äußeren Fasern des Faserkerns 1 durch die Nähte 5 bzw. 9, 10 in einen stark wellenförmigen Verlauf gezwungen werden, bewirken die Nähte nicht nur eine Kompression des Faserkerns 1 in Dickenrichtung, sondern auch eine Kontraktion in der zu der Dickenrichtung senkrechten, von den Vorzugsrichtungen 3, 14 aufgespannten Ebene. Um eine solche Kontraktion bei der Fertigung des Vakuumisolationspaneels nicht berücksichtigen zu müssen, wird zweckmäßigerweise der Faserkern 1 gemäß 1, 2 oder 3 großformatig, z.B. als Endlosband, vorgefertigt, und erst nach erfolgter Verdichtung der Fasern 2 durch Einbringen der Nähte 5, 9, 10 wird der großformatige Faserkern in Zuschnitte mit einer jeweils für ein Vakuumisolationspaneel gewünschten Kantenlänge vereinzelt.
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Ein solcher Zuschnitt wird unter Vakuum zwischen zwei gasdichten Folien 15 platziert, und die Folien 15 werden entlang ihrer Ränder 16 miteinander verschweißt, um den Faserkern 1 hermetisch einzuschließen. Das so erhaltene fertige Vakuumisolationpaneel wird aus dem Vakuum entnommen. Durch den dann von außen auf die Folien 15 einwirkenden Atmosphärendruck werden die Fasern des Faserkerns 1 abermals verdichtet, doch indem die Dichte der Nähte 5, 9, 10 im Faserkern 1 zuvor hoch genug gewählt worden ist, kann diese Verdichtung begrenzt werden, vorzugsweise auf maximal 20% der Schichtdicke d des Faserkerns 1 des fertigen Vakuumisolationsprofils. So kann Faltenbildung in einem Seitenwandbereich 17 der Folien 15, der an die verschweißten Ränder 16 angrenzt und die geschnittenen Kanten 4, 6 des Faserkerns 1 überdeckt, gering gehalten oder gar ganz vermieden werden.
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Die geradlinigen Nähte 5, 9, 10 der bisher betrachteten Ausgestaltungen bilden jeweils Stellen geringer Wandstärke, an denen die Faserlage 1 relativ leicht biegsam ist, so dass das fertige Vakuumisolationspaneel dem auf seine Seitenwandbereiche 17 einwirkenden Atomsphärendruck auch durch eine Krümmung entlang der Nähte 5, 9, 10 nachgeben kann. Um dem entgegenzuwirken, sind bei der Ausgestaltung der 5 die geradlinigen Nähte durch Nähte 18 ersetzt, die im Zickzack oder wellenförmig verlaufen, so dass es keine über den gesamten Faserkern 1 geradlinig durchlaufende, eine Durchbiegung begünstigende Zone geringer Wandstärke gibt. Der Faserkern 1 kann wie im Falle der 1 eine einzelne Lage mit in Vorzugsrichtung 3 orientierten Fasern 2 oder wie im Falle der 3 mehrere Lagen mit unterschiedlichen Vorzugsrichtungen umfassen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Faserkern
- 2
- Faser
- 3
- Vorzugsrichtung
- 4
- Kante
- 5
- Naht
- 6
- Kante
- 7
- Faden
- 8
- Faden
- 9
- Naht
- 10
- Naht
- 11
- Zelle
- 12
- Lage
- 13
- Lage
- 14
- Vorzugsrichtung
- 15
- Folie
- 16
- Rand
- 17
- Seitenwandbereich
- 18
- Naht
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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